充放储一体化站对区域配电网的谐波治理

2012-08-11杨敏霞贾玉健冯俊淇

电力科学与工程 2012年11期

关键词：变流变流器谐波

杨敏霞，贾玉健，冯俊淇，解大

(上海交通大学电气工程系，上海 200240)

0 引言

以电动汽车为代表的新能源技术为改善全球恶化的环境以及能源问题提供了新的途径。电动汽车能源供给设施是电动汽车发展的重要基础支撑和电动汽车商业化过程中的重要环节，其主要有以下三种类型:充电桩、充电站以及电池更换站[1～6]。

电动汽车及其充电站对电网的影响主要可以从两方面考虑:一方面电动汽车作为电网负荷接入电网;另一方面电动汽车可作为储能点向电网送电。这些都将改变电网的负荷特性，可能带来不可预估的影响[7～9]，倘若进行科学规划，又可带来可观的经济效益。

有关电动汽车充电站对配电网电能质量的影响，国内外已经开展了一系列的研究。California Energy Commission发表的一篇关于能源的报告中指出，在充电周期中，电池充电站给电网带来高达2.36%～28%的总谐波失真 (Total Harmonic Distortion，THD)[10，11]。另一方面，由于电网电力电子设备用户增多，谐波污染也日益严重，谐波治理技术成为提高电网电能质量的关键[12，13]。

电动汽车充放储一体化电站的研发有利于解决这些问题，一体化电站将充电站、更换站与储能站的功能融合进行设计和研究，通过合理设计调度，最大幅度地降低电动汽车充电对电网的不利，并且充分开发利用一体化站的电池储能系统，在保障电动汽车供能需求的基础上，改善电网电能质量。因其环保、安全、经济、高效等优点，一体化电站将成为未来电动汽车充电站的重要发展趋势。

本文主要研究一体化站对区域配电网的谐波治理效果，并通过仿真进行验证。

1 充放储一体化站

充放储一体化站主要由三部分组成，分别为调度中心、多用途变流装置、电池系统，其中，调度中心是一体化站的控制中心;多用途变流装置实现电池系统与电网的能量双向流动;电池系统实现两方面的功能，一为电动汽车供给电能，二为对退役电池再开发实现电池储能并为电网提供电能支持。

为了实现一体化站对电网的辅助功能，关键是多用途变流装置的设计与控制。变流装置的拓扑结构采用PWM整流逆变双向变流器以及Buck/Boost双向直流斩波器，两者均可实现能量的双向流动:一方面，根据电池的充电方案，通过变流装置将电网能量以合适的充电电压输送至电池系统;另一方面，当电网系统有需求时，可将电池系统的储能通过变流装置以合适的并网电压电流向电网输送，协助改善电网电能质量，如图1所示。

图1 多用途变流装置的结构Fig.1 Structure of multi－function converter

下文将分析一体化站对区域配电网提供谐波治理服务的可行性，研究其治理方案并通过仿真进行验证。

2 配电网的谐波治理

2.1 配电网的谐波来源及危害

在现代电力系统中，随着大量电力电子设备的投入，电网谐波污染日趋严重，谐波治理问题突出。

在配电网中，大量的电力电子装置的广泛应用造成了较为严重的谐波源。例如整流器、逆变器、调压器和变频装置等，这些电力电子装置广泛地应用于电机控制、UPS设备、各种充电设备等。

谐波污染已成为影响电能质量的一大因素，其危害主要有如下几个方面:增加设备损耗，引起温升导致寿命缩短甚至引发故障，如旋转电机、输电线路、变压器等;造成继电保护、自动装置拒动或者误动;使电力电容器发生谐振，造成电容器故障损坏等[14]。

2.2 配电网的谐波治理

对于配电网的谐波治理，可以从以下几方面考虑[15]:

(1)在受端采取治理措施，减轻或者消除谐波对设备的影响。

(2)在谐波源采取治理措施，改善谐波源特性，减少谐波的产生。

(3)在传输过程中采取治理措施，通过补偿和滤波的方式补偿和滤除电网谐波，譬如无源滤波器和有源滤波器。

分析评价：探究和说理通常从多个角度设置问题以考查学生的综合能力，是学生惧怕的内容，也是教学的难点。案例中，学生按照教师的要求重抄了一遍正确答案，但还是容易出错，或者根本就没有学会这种题的解法。究其原因是订正只停留在“改文字”上，没有真正理解科学本质之间的逻辑关系。

其中，采用有源滤波器技术治理配电网谐波污染控制灵活主动，是现代电力系统谐波治理的未来发展趋势。

本文研究的一体化电站具备有源控制装置的特性，在实现其为电动汽车供能的基本功能外，还可主动为电网提供谐波补偿，下文将具体阐述其治理方案并通过仿真进行验证。

3 一体化电站对区域配电网的谐波治理

3.1 一体化电站实现区域配电网谐波治理功能的可行性

采用一体化站可实现对电网谐波的治理，其基本原理如图2所示。

图2 谐波补偿原理图Fig.2 Control algorithm of harmonic compensation

图2中，谐波源一般由非线性负载产生，如电力电子装置等，产生谐波电流Ih，为了治理该谐波源，一体化站通过实时检测负荷支路的电流，通过谐波算法计算出谐波成分，然后转变为一体化站变流器的PWM控制信号，控制变流器输出等幅反向的补偿电流。实现一体化站对电网谐波的主动治理。

一体化站在治理电网谐波的功能上相当于带储能装置的有源滤波器，从电网的角度上看可视为接入一个无损装置，一体化站变流装置的损耗由电池储能系统提供。

整个治理过程可分为以下几个部分:谐波检测环节、控制模块、变流装置，如图3所示。

图3 谐波治理功能结构图Fig.3 Structure of harmonic treatment device

谐波检测环节和控制模块是整个补偿装关键，通过谐波检测环节得到谐波电流信号，生成参考电流信号，与变流器实际产生的补偿电流ic作比较，将其偏差作为滞环比较的输入，通过滞环比较环节产生PWM控制信号，控制变流器电路的IGBT开断，控制变流器向电网注入的电流ic，从而实现注入的补偿电流能迅速准确跟踪参考电流，达到谐波补偿的控制目标，如图4所示。

图4 谐波补偿控制算法Fig.4 Control algorithm of harmonic compensation

3.2 变流装置的控制策略实现

图5 变流器的拓扑结构设计Fig.5 Topological structure of converter

该结构的DC/DC环节为Buck/Boost电路，主要作用是进行升、降压变换，从而避免交流变压器的使用，得到合适的蓄电池充放电电压。蓄电池充电时，PWM变换器工作在整流状态，将电网侧交流电压整流为直流电压，该电压经双向DC/DC变换器降压得到蓄电池充电电压;放电时，PWM变换器工作在逆变状态，双向DC/DC变换器升压向逆变器提供直流侧输入侧电压，经逆变器输出合适的交流电压。这种拓扑结构的主要优点是适应性强、便于控制，可实现对多串并联的电池模块的充放电管理，使得蓄电池的容量配置更加灵活。

在可逆PWM变流器的控制上，采用双闭环滞环电流控制，电压外环取直流侧电压为反馈，采用PI调节，目的是稳定直流侧电压;电流内环采用P调节以及滞环跟踪控制，灵活跟踪控制网侧电流[10]。

为了实现谐波治理功能，需要对多用途变流装置进行控制:变流器接入电网相当于一个可控电流源并入电网，通过谐波电流检测电路获取区域配电网的谐波电流，经运算电路计算得到指令电流并生成PWM变流器的控制信号，驱动PWM电路产生实际补偿电流。整体控制框图如图6所示。

图6 变流器控制算法实现框图Fig.6 Control algorithm of converter

3.3 检测算法的实现

在电流检测算法的设计上，利用瞬时无功功率理论[18，19]，将 abc三相系统电压、电流转换成αβ0坐标系或dq0坐标系上的矢量，将电压、电流矢量的叉积定义为瞬时无功功率，然后将这些功率进行逆变换得到三相补偿电流。相对于传统功率理论，瞬时无功功率避开了平均值的环节，实现了无功和谐波电流的实时检测，对于三相平衡系统的瞬变电流检测具有较好的实时性，有利于系统的快速控制，获得更好的补偿效果。采用p－q法检测无功电流以及谐波电流的算法框图如图7所示。

图7 p－q法检测无功电流以及谐波电流的算法框图Fig.7 Algorithm implementation by p －q detection method

算法分析:

式 (1)为三相系统电压，将其abc/αβ变换，得到:

同理，三相负载电流也进行abc/αβ变换，得到iα，iβ。再通过αβ/pq系数计算有功无功分量，如式(3):

再通过低通滤波器得到直流分量p，q，若电压波形没有畸变，则由基波up，ip产生，q由基波uq，iq产生。基波电流分量通过反变换pq/αβ，αβ/abc得到，如式 (4)所示:

将 ia，ib，ic与 iaf，ibf，icf相减可得到谐波电流分量。

以上检测算法具有实时准确的优点，但对于硬件的要求也比较高，需要大量的坐标变换以及高精度的锁相环。

利用一体化电站进行谐波治理充分开发了一体化电站的功能，并且具有诸多技术优势:变流装置采用PWM控制，响应速度快，补偿效果好(可动态抑制谐波)，并且控制灵活。下文将对一体化电站进行建模并通过仿真研究其谐波治理效果。

3.4 一体化电站对区域配电网谐波治理效果仿真

根据图6的控制策略，在EMTP中建立仿真模型，变流装置直流侧稳压电容取100 mF，交流侧滤波电感值为0.6 mH，变流装置接入线电压380 V的低压配电网，接入点谐波源采用三相不控整流电路，仿真结果如图7所示。

图7 谐波治理仿真结果Fig.7 Simulation results for harmonic compensation

在EMTP仿真中，负荷支路由于存在三相不控整流电路，产生较大的5次、7次、11次谐波，电流发生畸变，如图7(a)所示，各次谐波电流幅值如图7(d)所示。为了治理该谐波，通过谐波检测装置检测谐波电流分量，根据检测到的谐波电流分量进行处理计算得到补偿参考电流，根据参考电流以及目标补偿的差值，通过滞环比较环节进行电流跟踪，输出PWM波控制变流装置的IGBT通断，控制一体化站向电网注入等幅反向的谐波电流，抵消谐波源对电网的谐波电流污染，实际输出的补偿电流如图7(b)所示，补偿后系统电流如图7(c)所示，可见补偿效果较理想，补偿后各次谐波电流幅值如图7(e)所示，谐波源产生的5次、7次、11次谐波基本抑制。图7(f)为系统电流、含谐波源支路电流以及一体化站接入点电压的波形，由于系统电流已经得到谐波补偿，接入点电压波形呈正弦波，但电流存在毛刺，所以经过阻抗压降后的电压波形并不光滑，这也在允许的范围内。